Donnerstag, 23. Juni 2016

Wie Sie Ihre Wohnung mit Sonnenkollektoren auf den Fensterbänken vom Stromnetz bekommen


16 Bilder Die typische Solar-PV-Kraftanlage erfordert Zugang zu einem privaten Dach und ein großes Budget. Wäre es auch möglich durch die Installation von Photovoltaik auf Fensterbänken und Balkonen, mit einem Niederspannungs-Gleichstrom (DC) Vertriebsnetz diese Hindernisse zu überwinden? Um diese Theorie auf die Probe zu stellen, entschied ich, das Low-Tech-Magazine Büro zu Hause in Spanien mit Solarenergie zu versorgen, und schreibe meine Artikel ohne Strom vom Netz.(Artikel Übersetzung vom Autor Chris De Decker)


Sonnenkollektoren sind billiger und effizienter in den letzten Jahren geworden, aber sie sind weit entfernt von einer universellen Lösung, auch in sonnenreichen Regionen. Ein Grund dafür kann die typische Solar-Photovoltaik (PV) Installation noch weit über dem Budget vieler Menschen. Die durchschnittliche Preise für die Wohnanlage 5 kW PV im Jahr 2014 abgeschlossen variiert von $ 11.000 bis $ 16,450 in Deutschland in den USA. [1, 2] Etwa die Hälfte der Kosten sind Installationskosten. [3]

Das zweite Hindernis für Solarstrom ist nicht jeder lebt in einem Einfamilienhaus oder hat Zugang zu einem privaten Dach. Diejenigen, die in Mehrfamilienhäusern wohnen haben kaum eine Chance auf eine Solarenergie Ernte von einer konventionellen Aufdach- Photovoltaik Anlage. Darüber hinaus in Mehrfamilienhäusern, würde das Dach zu schnell zu klein werden um den Stromverbrauch aller Einwohner zu decken. Ist das Problem größer, desto mehr Schaden wächst gibt es Etagen in einem Gebäude. Schließlich ist eine typische Solaranlage problematisch, wenn Sie einen zu Miete wohnen. Egal ob ​​es ein Haus oder eine Wohnungist.

Ich bin einer der Menschen, die in jedem dieser Hindernisse läuft: Ich wohne in einer gemieteten Wohnung und ich habe nicht das Budget für ein herkömmliches Sonnensystem. Allerdings erhalte ich viel Sonnenschein. Meine Wohnung befindet sich in der Nähe von Barcelona in Spanien, einer Stadt mit einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von knapp 1.700 kWh / m2 / Jahr. Darüber hinaus hat der 60 m2 Wohnung auf den Balkon und alle Fenster Richtung Südwesten, Süden, und es gibt keine Verschattung durch Bäume oder andere Gebäude.


Diese Bedingungen erlauben es mir, ohne ein Heizsystem durch den Winter zu kommen, nur mit der Solarwärme und warme Unterwäsche. Heißes Wasser wird durch eine Solar Kessel geliefert, die vom Vermieter installiert wurde. Kleidung auf dem Balkon getrocknet. Während ich mit Sonnenkollektoren für ein Kunstprojekt bastelte, bekam ich eine Idee: wenn bereits die Sonne so viel von meinem Wohnraum antreibt, würde es nicht möglich sein den Solarstrom aus den Fensterbänken zu ernten und meine Wohnung vom Stromnetz zu entkoppeln? Eine solche wäre eine PV-Anlage welche meine Probleme lösen würde:

Ich brauche keinen Zugriff auf das Dach.
Kann ich das System selbst installieren, das macht es viel billiger. Ich kann mir die Solaranlage mitnehmen, wenn ich an einen anderen Ort ziehe.
Offensichtlich ist die große Frage, ob ein solches unkonventionelles PV System den Strom notwendig erzeugen könnte. Wie im ersten Experiment, entschied ich mich zu meinem 10 m² Büro zu Hause mit Sonnenkollektoren auf dem 2,8 m Platz auf dem Fenstersims entlang der Fenster des Büros und dem Schlafzimmer zu versorgen.

Solar angetriebenes Heim Büro

Das Fenster in meinem Büro ist ziemlich klein (1,5 m², es nimmt nur die Hälfte der Wand ein). Allerdings gibt es keine Notwendigkeit für Licht im Schlafzimmer, die von drei IKEA SUNNAN Lampen sind seit Jahren genug Beleuchtung. Folglich steht die vollständige Fensterleiste zur Verfügung um das Büro zu Hause zu versorgen. Es bietet genügend Platz für fünf Solarmodule von 10W jeder eine Bereitstellung mit 50 Watt-Peak der Sonnenenergie. Der Balkon wird dazu dienen, den Rest der Wohnung mit Strom zu versorgen, und für das zweite Projekt werden die Pläne am Ende dieses Artikels umrissen.

Off-the-Grid Netzferne Solar Wohnung

Mit ihrer Platzierung auf der Fensterbank, werden die Platten durch das Gebäude selbst am Morgen beschattet. Sie erhalten direktes Sonnenlicht von 10 Uhr bis etwa 17.00 Uhr am Höhepunkt des Winters (insgesamt 7 Stunden), und von 13.00 bis 21.00 Etwa im Sommers (insgesamt 8 Stunden). Die maximale Energieproduktion ist somit etwa 400 Wh pro Tag.

Die Solarmodule sind parallel geschalten und mit dem Solarladeregler und 550 Wh Blei-Säure-Batterien verbunden. Unter der Annahme einer 33% Tiefe der Entladung (DoD) und die Round-Trip-Batterie Wirkungsgrad von 80% ergibt dies mir die Energiespeicher grob von bis zu 150 Wh.


Können Sie Ihr Büro zu Hause mit 50-Watt-Peak Solarzellen und 150 Wh Energiespeicher betreiben?


Lassen Sie uns auf die energetische Nutzung von meinem Büro zu Hause ansehen, bevor es solarbetrieben war. Ich sitze hier arbeiten jetzt an die Zeit, entweder die Erforschung, Schreiben und Gebäude oder Sachen zu reparieren. Geräte Schaden regelmäßig Strom verbrauchen, sind:

Der Laptop, der im Durchschnitt 20 Watt Leistung benötigt.
Ein externer Computer-Bildschirm, der 16.5W braucht.
Zwei CFL-Lampen (20W & 12W) und eine LED-Lampe (3W).
Home Office Energienutzung
Dies fügt Im Laufe des Tages zu 35W Leistung (mit nur dem Laptop und dem Bildschirm im Einsatz) und 70W nach Sonnenuntergang (dem Laptop, der Bildschirm und die Lichter). Normalerweise arbeite ich in den Morgen- und Abendstunden, von rund 10.00 Uhr bis 14.00 Uhr und 20.00 Uhr bis 01.00 Uhr. Im Laufe des Nachmittags mache ich andere Sachen oder ich arbeite in der Bibliothek.

Verwendung gesamte Strom ist also in meinem Büro (im Durchschnitt) von 500 Wh pro Tag, mit wenig Variation zwischen Winter und Sommer. An bewölkten Tagen verwenden Lichter am Morgen kann ich auch, welchen Energieverbrauch bis 640 Wh pro Tag erhöhen. Dann gibt es einige Geräte benötigen Strom occasionaly schaden:

- Ein Laserdrucker, 4WH Welche Energie Seiten zum Aufwärmen und acht Seiten zu drucken verwendet. Dies entspricht meiner Schreibtischlampe (5W) für mehr als 45 Minuten.
- Ein Paar PC-Lautsprecher (1,5 W Leistung).
- Drei USB-Beleuchtungen (1.4W Leistung jeder Einsatz während des Ladens).
- Eine Digitalkamera, die 3W verwendet während des Ladens.
- Der Ventilator, der von 30 bis 40 Watt Leistung verwendet.
- Das Handy (ein Dummes), welches ich alle ein paar Wochen aufgeladen wird.


Offensichtlich meine Solar-PV-Anlage produziert nicht genug Energie, mein Büro zu Hause zu versorgen. Während der normale Stromverbrauch von mindestens 500 Wh am Arbeitstag 9 Stunden ist, geben die Fensterbänke mir maximal 400 Wh pro Tag. An bewölkten Tagen kann die Energieproduktion nur 40 bis 200 Wh pro Tag betragen, je nach Art der Wolkendecke. Darüber hinaus ist der Energiespeicher nur 150 Wh Umstände unter idealen, während ich die meiste Energie (350 Wh) nach Sonnenuntergang verbrauche.

Und doch, hier Ich schreibe diesen Artikel auf einer solarbetriebenen Laptop im Zimmer, welcehes durch Sonnenenergie beleuchtet wird. Wie ist das möglich? Durch befolgen diese Strategien:

- Maximieren Solarstrom Produktion durch das Kippen der Paneele je nach Saison
- Minimieren des Stromverbrauch durch ein Niederspannungs- Gleichstromnetz und DC-Geräte verwenden.
- Sich zwingen den Energiebedarf an dunklen Tagen zu senken, indem das Netz geht sich aus.

Im Folgenden betrachten wir genauer diese Punkte an. Meine Solaranlage ist seit November 2015 zunächst nur mit zwei 10W-Panels in Betrieb. Drei weitere Platten wurden im Frühjahr dazu gegeben.

1. Stellen Sie die Neigung der Solarmodule ein

Dachmontierte Solaranlagen haben in der Regel einen festen Winkel in Bezug auf die Sonne. Weil die Höhe der Sonne Im Laufe des Jahres variiert, ist der feste Winkel immer ein Kompromis. Panels auf einer flachen, horizontalen Dach lag relativ gut für die Energieproduktion im Sommer positioniert, aber viel weniger so für den Einsatz im Winter. Auf der anderen Seite, führen gekippte Sonnenkollektoren viel besser, aber nicht so gut, im Winter wie im Sommer. Auf geneigten Dächern wird der Winkel der Platten oft ist durch den Winkel des Daches bestimmt, der nicht unbedingt der beste Winkel für die Solarstrom- Produktion ist.

PV-Module die optimal in Richtung der Wintersonne orientiert können das dreifache an Strom produzieren im Vergleich zu horizontal geneigten

Nach der Saison den Winkel des Solarpanels einstellen. PV-Paneele in Barcelona im Dezember, die optimal geneigt sind horizontal platziert Gegen die Wintersonne kann auf dreifache Stromerzeugung im Vergleich. Da der Vorteil viel kleiner in anderen Jahreszeiten ist, ist der durchschnittliche jährliche Anstieg der Stromproduktion von weniger als 10%. Allerdings ist die Paneele Kippen der Schlüssel für genug Solarenergie in den Wintermonaten zu ernten, wenn Stromausfälle am wahrscheinlichsten sind.


Im Fall von einem Balkon oder Fensterbrett Solar-PV-System, ist der Winkel der Sonnenkollektoren Einstellung so einfach, wie die Bewässerung von Pflanzen. Auch wenn Sie kleine Anpassungen jede Stunde, Tag oder Monat machen könnten, Anpassung der Winkel, zwei oder vier Mal pro Jahr ist so weit Sie gehen sollten.

Es ist ein weiterer Vorteil, die Solarzellen so nahe bei der Hand zu haben: Sie können regelmäßig gereinigt werden. Dachaufbau-Solarzellen werden selten gereinigt, da das Dach nicht sehr zugänglich ist. Verluste aufgrund von Staub und Schmutz wird angenommen, dass 1% der erzeugten Energie sind, aber in trockenen und staubigen Regionen sowie in verkehrsbelasteten Gebieten, Sie können so bis 4-6% sein, wenn Waschen nicht regelmäßigen vorgenommen wird. [4]

Einstellen des Winkels der Fensterbank Photovoltaik ist so einfach wie die Bewässerung der Pflanzen

Offensichtlich ist es entscheidend, dass die Platten nicht von Fensterbank fallen, egal, was passiert. Fensterbänke unterscheiden sich in Formen und Größen, die für eine maßgeschneiderte tragende Struktur spricht. Ich habe eine Metallstange an meinem Fensterbrett befestigt, die auf den Schutz Pflanzenbehälter abzielt, was mir erlaubt, sicher die Solarmodule einzurasten. Ich glaube, ich habe das Glück, dieses zu haben, aber es unten gezeigt, wie kleine Design-Änderungen einen großen Unterschied machen können. Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, belud ich die hölzerne Basis jeder Platte mit einigen schweren Steinen.

Hinzufügen eines Mechanismus, um die Neigung der Platten zu variieren kompliziert das Design, bewegen weil der Strand ist nur so stabil wie die Basis sein muss. Nach einigen vergeblichen Versuchen fand ich ein Mechanismus der scheint zu funktionieren, mit Vintage Meccano Stangen (2-3 Schichten dick und mit größeren Muttern und Schrauben). Eine Stange ist an der Basis der Struktur verbunden ist, während ein anderer mit dem Holzbrett verbunden ist, trägt die Platte beschädigen. Beide Stäbe sind miteinander in der Mitte verbunden. Diese Verbindung zu lockern ermöglicht es mir, die Länge der Stützen einzustellen und somit den Winkel der Sonnenkollektoren.

Solar-PV-Windows?

Einige Leser könnten nähern Betrachten Sie meine bald-zu-sein-obsolet, da mehrere Unternehmen arbeiten an "Solar-PV-Fenster 'Glas Schaden verdoppelt sich als Stromgenerator. Jedoch würde diese Technik nicht so gut wie verstellbare Sonnenkollektoren auf Fensterbänken, aus verschiedenen Gründen durchführen.

Die Platten auf der linken Seite sind für das Frühjahr optimal geneigt, die beiden Platten auf der rechten Seite befinden sich noch im Winter Position.

Vor allem Solar-PV-Fenster sind die meisten oft völlig vertikalen, die nie eine effiziente Winkel ist Solarstrom zu erzeugen - ihre Stromerzeugung etwa 3-mal niedriger als horizontale Platten ist. [5] Zum anderen im Sommer wäre es unmöglich, die Fenster zu öffnen oder die Fensterläden zu senken, die sich schnell mein Büro und die Notwendigkeit für die Klimatisierung einführen würde überhitzen.

Meine Solar-PV-Anlage, auf der anderen Seite kann der Strom erzeugen, wenn die Verschlüsse geschlossen sind und die Fenster offen sind. Last but not least, das Fenster integrierte Solarpanel kann nicht mit Ihnen mitkommen, Wenn Sie sich umsideln, während mein System völlig mobil ist.

2. Entscheiden Sie sich für die Niederspannungs-DC-System

Typische Solar-PV-Systeme wandeln den Gleichstrom (DC) Strom durch Solarzellen in Wechselstrom (AC) produziert, um es mit dem AC-Verteilung in einem Gebäude kompatibel zu machen. Da viele moderne Geräte intern auf DC betreiben werden, ist die AC-Strom umgewandelt dann zurück nach DC. Der DC / AC-Wandlung durch einen Wechselrichter erfolgen, der zwischen dem Solarladeregler und der Last liegt. Die zweite Umwandlung geschieht in der (extern oder intern) AC / DC-Adapter der Geräte werden verwendet.

Das Problem mit dieser doppelten Energieumwandlung kann es substanzielle Energie Verluste erzeugen. Insbesondere gilt dies im Falle von Solid-State-Geräten und LEDs wie Computer, auf denen die neue Verluste der DC / AC / DC-Wandlung von rund 30% ausmacht - unsere vorherigen Artikel Weitere Einzelheiten zu sehen. Da der Boden Geräte Dies sind jetzt verletzt der Last in meinem Büro zu Hause machen, macht es sehr viel Sinn, diese Verluste zu vermeiden, indem eine Niederspannungs-DC-System aufgebaut wird.


Wie in einem Boot oder Wohnmobil, wird der Strom von 12V DC Solarpanels meine direkt verwendet Geräte von 12V DC, 12V DC oder in Batterien gespeichert. Wenn meine Sonnenkollektoren eine maximale Leistung von 50 W Ihr erzeugen, 50W meine Geräte zur Verfügung haben. Wenn die Batterieleistung beteiligt ist, das Laden und Entladen der Batterie fügt 20% der Energieverlust, der für die zur Verfügung stehenden 40W Geräte verlässt.

Die Wahl für ein Niederspannungs-DC-System erhöht die Energieeffizienz um 40%

Auf der anderen Seite ist eine typische Installation Solar-PV in der WHERE-Klausel des DC / AC / DC Energieumwandlung stattfindet, würden die Geräte nur 35W zur Verfügung, und der Rest würde als Wärmeenergie bei der Konvertierung verloren. Wenn Blei-Säure-Batteriespeicher in einem solchen System verwendet wird, nur 28W der Macht bleibt. Kurz gesagt, in meinem speziellen Fall, multipliziert ein Gleichstromsystem Wahl Produktion von 1,4-fache.

Die Wahl für das DC-System spart nicht nur Energie, sondern Raum und niedrigere Kosten. Weniger Solarzellen benötigt werden und es gibt keine Notwendigkeit, einen DC / AC-Wandler zu kaufen, die ein teures Gerät benötigt Während der Laufzeit des Sonnensystems ersetzt verletzten mindestens einmal werden. Am wichtigsten ist, können Sie eine DC-Solarstromanlage selbst bauen, auch wenn Sie so ungeschickt sind, wie ich bin. Die Niederspannungs-Gleichstromnetz (bis 24 V) Da es sicher ist, trägt kein Risiko eines elektrischen Schlags zu handhaben. [6] alle Kosten Addiert man nahm ich mein Büro zu Hause aus dem Netz für weniger als EUR 400.

Wo finden Sie DC Geräte

DC-Systeme impliziert die Verwendung von DC-kompatiblen Geräten. Da jedoch so viele moderne Geräte intern auf DC funktioniern, bedeutet dies nicht, Sie zu versetzen, und alles neu zu kaufen. Um die Beleuchtung in meinem Büro, habe ich einfach den Netzstecker aus der Netzkabel abgeschnitten und durch DC ersetzt kompatibel Stecker passen direkt in meine Solarladeregler und substituierte die 12V Glühlampen mit LED-Lampen. Um den Laptop auf DC laufen, ich durch den Netzadapter an den DC-kompatiblen Netzkabel, die auch für den Einsatz in Fahrzeugen zur Verfügung steht. Diese Netzkabel kann für jeden Laptop-Modell gekauft werden Sie sich vorstellen können.


Andere Geräte sind schwerer zu adaptieren da der AC / DC-Adapter im Gerät selbst befindet. Zum Beispiel habe ich noch nicht herausgefunden, wie mein externer Computer-Bildschirm zu konvertieren wäre um Ihn direkt mit Gleichstrom zu betreiben.

Manche Geräte können in der Regel nicht in einer 12V-Version umgewandelt werden. Beispiele sind Kühlschränke, Raclettgeräte, Fernseher, Klimakompressoren oder Elektrowerkzeuge. Diese können teurer sein als Ihre AC Kollegen, weil sie in viel kleineren Mengen produziert werden. DC Kühlschränke sind sehr teuer, weil sie Vakuumisolierung verwenden. Während diese Sinn in einem Wohnmobil oder Segelboot macht, wo der Platz begrenzt ist, ist es unnötig im Gebäude.

Der Zigarettenanzünder im Auto, ursprünglich ein elektrisch beheizter Zigarettenanzünder mit Strom zu versorgen, hat nun seit Jahrzehnten de facto Standard-DC-Anschluss gewesen. In jüngerer Zeit hat es von einem anderen Niederspannungs-DC-Verteilungssystem, den USB-Anschluss verbunden ist. USB-Kabel arbeiten mit 5V DC und kann sowohl Daten als auch Energie übertragen. Viele Unterhaltungselektronik werden jetzt von diesen angetrieben.

Derzeit werden diese Geräte von dem USB-Anschluss Ihres Laptops oder Desktop-Computer geladen, aber sie werden direkt an eine Solar-PV-Anlage angeschlossen. Während die Standard-USB-Kabel eine maximale Leistung von nur 10 Watt schafft, bietet Platz für die neueren USB-PD Standardgeräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 Watt.

Tage mit bedecktem Himmel

Die Wahl für das DC-System hat einen geringeren Stromverbrauch erheblich in meinem Büro zu Hause. Mein Laptop ist der Energieverbrauch um etwa 20% gesunken. Die Umstellung auf LED-Lampen DC hat den Stromverbrauch halbiert für die Beleuchtung von 35 bis 16W. Basierend auf der Neun-Stunden-Arbeitstag gegen füher, Gebrauchtwagen Verwendung der täglichen Energie Geräte regelmäßig in meinem Büro zu Hause hat 500 bis 350 Wh / Tag kommen. Dies bringt unter dem Durchschnitt der Energieverbrauch Energieproduktion an sonnigen Tagen (400 Wh), Welche sind reichlich vorhanden, wo ich wohne.



In Wirklichkeit sind die Computer-Bildschirm und dem externen Laserdrucker läuft noch auf Netzstrom. Die 350 Wh der Energienutzung oben erwähnt umfasst die hypothetische Verwendung eines externen DC-Bildschirm (15% der Energiespar Im Vergleich zum AC-Version), nicht aber der Energieverbrauch des Druckers. Doch an sonnigen Tagen, ich habe einen deutlichen Überschuss an Strom, was darauf hindeutet, dass ich den unteren Bildschirm und den externen Drucker arbeiten könnte. Auch an den Tagen Nebel Energie ist reichlich vorhanden.

Allerdings bleibt der Energieverbrauch zu hoch beim bewölkten Tagen, wenn Stromproduktion zwischen 40 und 200 Wh pro Tag. Offensichtlich das Hinzufügen von mehr Solarzellen und Batterien würde das Problem lösen, aber das ist nicht der Weg zu gehen, weil die Solar-PV-System teurer wird, weniger praktisch, weniger und nachhaltig.

An sonnigen oder teilweise bewölkten Tagen, ich habe mehr als genug Strom. An bewölkten Tagen muss ich für Energiebedarf zu reduzieren.

Um zu gewährleisten, ein täglich 350 Wh Strom in drei aufeinanderfolgenden schweren bewölkten Tagen im Dezember (im schlimmsten Fall von nur 40 Wh Energieproduktion pro Tag), würde ich brauche Solarstromleistung vervierfachen, von 50 bis 200 Watt Spitzenleistung und bieten mindestens fünf mal mehr Batterien.

Obwohl es möglich wäre, 200W auf den Fensterbänken zu installieren, würden die Sonnenkollektoren weniger Licht und Wärme in die Zimmer lassen, was kontraproduktiv wäre. Darüber hinaus würde ich zuviel Strom produzieren über das Jahr gesehen.


3. Richten Sie Nachfrage nach Energie nach der verfügbaren Energie




Es gibt eine andere Möglichkeit, die Zahlen übereinstimmen zu machen, wenn es nicht genügend Sonne vorhanden ist, und das ist mit weniger Energie. Eine Verringerung des Energieverbrauchs was darauf hindeutet, ist recht kontroverse, aber es gibt eine überraschend große Anzahl von Möglichkeiten für den Energieverbrauch zu reduzieren, ohne zur Schreibmaschine und Kerzen zurückzukehren. Hier sind einige Möglichkeiten für mein Büro zu Hause:

Ich könnte einen zweiten Schreibtisch direkt neben dem Fenster aufbauen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für die künstliche Beleuchtung in dunklen Wintertagen, spart mir mindestens weitere 40 Wh an solchen Tagen.

Ich könnte weniger Lichter am Abend während Solarstrom schwacher Tage nutzen. Vorerst des Jahres habe ich die ausreichend Energie zur Verfügung, alle Lichter im Raum zu verwenden. Doch jetzt der Tage, die ich mit nur zwei Lampen auszukommen, und notwendig, wenn ich eine einzelne Lampe 3W 5W oder sogar nutzen könnten. Wenn die Solarproduktion an seinem EXCLUSIVE ist, gibt der Letzten mich noch mehr als 13 Stunden Licht. Ich werde nie die Nacht im Dunkeln verbringen müssen.

Ich konnte verschieben Lasten Auf dem Weg zu sonnigen Nachmittagen. Auch im Winter können die Batterien vollständig durch bereits um 2 oder 3 Uhr an sonnigen Tagen berechnet. Eine zusätzliche Last dem System hinzufügen ist von Vorteil Perioden während dieser Sonnenenergie nimmt sonst würde es wie verletzt verschwendet. Dies ist, wenn ich die Fahrradbeleuchtung aufladen kann, die Digitalkamera oder das Telefon, oder wenn ich die 12V Lötkolben verwenden kann (meine einziges Elektrowerkzeug) oder den Drucker. Im Sommer kann ich den Überschuss an Energie verwenden, um kleine USB Ventilatoren zu verwenden natürlich zu einer Zeit in der ich es am meisten brauche.
Es gibt eine überraschend große Anzahl von Möglichkeiten den Energieverbrauch zu reduzieren, ohne dass die Schreibmaschine und Kerzen zurückkehren.

Ich könnte meine Arbeitszeiten ändern. Wenn ich es schaffe könnte von 9.00 bis 18.00 Uhr arbeiten, anstatt am morgens und abends, so erhalte ich eine doppelte Energieeinsparungen. Ich würde nicht mehr Beleuchtung brauchen, bis auf eine Stunde oder so im Winter (Welche 70 bis 80 Wh / Tag spart). Zweitens möchte ich mehr Strom verbrauchen, während er generiert wird ist. So ist die Batterieladung zu vermeiden und 20% Verluste Laptop Entladen während der Nacht und am Morgen in Betrieb (was ein weiterer 30Wh spart). meine tägliche Arbeitszeiten ändern würde den Stromverbrauch zu 125Wh grob gesagt, weniger als die Hälfte der maximalen Leistung der Produktion zu senken. Darüber hinaus würden alle Batteriekapazität für bewölkten Tagen verfügbar sein, da es keine in der Nacht Nutzung der Energie gebe.

Ich konnte Computer Arbeiten an die Solarbedingungen anpassen. Es gibt einen bemerkenswerten Unterschied in denm Stromverbrauch für den Laptop zwischen Schreiben (ungefähr 15W) und das Surfen im Internet (von rund 25W). Mit anderen Worten, ich kann fast doppelt so lang arbeiten, wenn ich schreibe, was ich tun könnte, immer wenn die verfügbare Energie niedrig ist.

Ich konnte meine externen Computer-Bildschirm aufgeben. Es kann für einige Arbeiten sehr nützlich sein, den Bildschirmen jeweils etwas zu lesen und zu schreiben anzuzeigen, aber die meiste Zeit verschwendet er nur Energie ohne sehr nützlich zu sein. Den externen Bildschirm loszuwerden würde mich noch einmal 150 Wh pro Tag sparen. Allerdings würde es wohl die Verwendung des Druckers erhöhen, so bleibt es abzuwarten, ob diese Option wirklich Energie spart.

Während konsequent, schwer bewölkten Tagen, konnte ich zu drastischeren Maßnahmen zurückgreifen, wie in der Bibliothek zu arbeiten oder gar nicht zu arbeiten.
Oder ich könnte Dinge tun die gar keine Energie brauchen wie Bücher lesen und sich Notizen von Hand zu machen. Dies würde zusätzliche Vorteile bringen; es kann erfrischend sein auf etwas in einer altmodische Art und Weise zu tun und zu konzentrieren. Abends Ausgehen ist ein Spaß und eine einfache Möglichkeit, den Leistungspegel hoch genug während Schlechtwetterperioden zu halten.

Ich könnte ein Pedal angetrieben Generator bauen, wenn ich wirklich mehr Strom benötige an bewölkten Tagen. Streng genommen, ist dies nicht die Reduzierung des Energiebedarfs, aber natürlich impliziert es eine Anstrengung von meiner Seite. Radeln für 1 bis 1,5 Stunden würde rund 100 Wh Strom erzeugen, was mich für 3 bis 5 Stunden auf dem Computer arbeiten könnte oder eine 5W LED Licht ganze Nacht hindurch erlauben würde.


Ein Auge auf mein Barometer und ein wenig flexibel sein, es ist nicht schwer seine Arbeiten nach dem Wetter zu planen. Doch bis jetzt habe ich es geschafft Vorteil dieser meist Chancen zu ergreifen, wenn es um Beleuchtung geht, und umso weniger beim Laptop. Das hat nichts mit Computer zu tun Verwendung weniger flexibel als Beleuchtung. Vielmehr ist es in Folge wie das System gebaut ist.

Dies wurde mir klar durch die eher plumpe Art, wie ich mein Experiment eingerichtet habe. Offensichtlich wollte ich die Installation in der Mitte des Winters testen, bevor ich darüber zu schreiben beginne. Allerdings habe ich nur zwei Solarpanels zu der Zeit betrieben. Deshalb habe ich mein solarbetriebenes Büro zu Hause zuerst den Laptop für zwei Wochen mit Solarenergie betrieben (während das Licht auf dem Netzstrom betrieben wurde), gefolgt von einem zweiwöchigen Test der Lichter auf Solarenergie (und den Computer am Netz).

Für die Beleuchtung ist es unmöglich, auf Stromnetz zurückgreifen, weil ich die Netzkabel aller Lampen abschneiden musste um sie mit dem 12V Gleichstromnetz kompatibel zu machen.

Die Ergebnisse waren bemerkenswert unterschiedlich für beide Zeiträume. Mit dem Laptop könnte, ich immer zurück zum Netzstrom einfach durch das Wechseln des Netzkabel. Folglich gab es keinen Schaden und externe Faktoren zwingen mich gezwungen, meine Art zu arbeiten, um im Rahmen des Energiehaushalt auf einem dunklen Tag zu bleiben, ändern. Für die Beleuchtung war es jedoch unmöglich, wieder auf Netzstrom zurück zu fallen. Ich hatte die Netzkabel aller Lampen abgeschnitten um sie mit der 12V Gleichstromnetz kompatibel zu machen.

In Zeiten geringeren Stromverbrauch, hatte ich keine andere Wahl, als zu geringeren Energiebedarf für die Beleuchtung, Genau, und das ist, was ich tat, muss ich ganz mühelos sagen. Schnell habe ich einen zusätzlichen Schreibtisch am Fenster gemacht mit künstlichem Licht am Morgen zu vermeiden, schaltete das Licht aus, wenn ich das Zimmer verließ, und ich arbeite mit nur einer 5W oder 3W Glühbirne, wenn nötig.

Fünf Monate später, ich habe völlig daran gewöhnt und das Licht an die zur Verfügung stehenden Solarenergie. Auf der anderen Seite, habe ich meinen Laptop an das Netz gesteckt, wenn Energie zur Neige ging. Warum? Weil ich es kann. [7]

Solarbetriebene Heimbüro

Folglich scheint Off-Grid zu gehen, den Energiebedarf deutlich zu senken. [8] Mit einer begrenzten Energieversorgung fördert es auch den Einsatz von energieeffizienter Technologie. Zum Beispiel machte ich Energieeinsparungen durch den Austauschen der verbleibenden zwei CFL-Lampen durch LEDs auch ohne den Aufbau einer Solar-PV-System hätte erreicht werden können. Jedoch ist mir die Option nur auf in Gedanken gekommen, nachdem ich vor der Herausforderung stand, die Stromversorgung des Büro mit Sonnenenergie zu versorgen.

Die Fortschritte in energieeffiziente Technologie wird stetig die Möglichkeiten meines Off-Grid-System, ohne Rebound-Effekte von Risiken erhöhen.

Wenn ich nicht der Lage wäre, wieder auf Netzstrom zu fallen, würde ich wahrscheinlich einen energieeffizienteren Laptop besorgen. [9] In der Zukunft könnte ich auf Lithium-Ionen-Batterien umsteigen um die Verluste von Blei-Säure-Batterien zu verringern. In energieeffizienter Technologie investieren würde mir erlauben, den Computer und das Licht länger mit der gleichen Menge von Sonnenkollektoren laufen zu lassen. Mit einer begrenzten Stromversorgung, gibt es keine Gefahr von Rebound-Effekten welche diese Vorteile wieder negieren.

Multible Solar PV Systeme bauen

Wie bereits am Anfang des Artikels erwähnt, ist das solarbetriebene Home-Office nur der erste Schritt in Richtung Solarenergie um die gesamte Wohnung total Off-Grid bzw Netzfern zu gehen. Das zweite Projekt wird die Installation einer Solaranlage auf dem sechs Meter langen Balkon vor dem Wohnzimmer und der (offenen) Küche sein. Es wird das Licht, die Stereo-Anlage, die Wi-Fi-Router, alle Computer-Nutzung außerhalb des Büros, und alle Küchengeräte abdecken.


Dieses zweite Experiment ist viel schwieriger aus zwei Gründen. Zunächst wird das Wohnzimmer und die Küche auch von der zweiten Person in diesem Haushalt verwendet werden, es auch komplizierter machen den Energieverbrauch zu verwalten. Auch wenn wir nicht einen Toaster haben, eine Kaffeemaschine, oder Mikrowelle, beherbergt die Küche einen viel gebrauchtes Hochleistungsgerät: den elektrischen Herd.

Weil es zu viele Solarzellen und Batterien einnehmen würde den Elektroherd mit Solar PV Paneele zu versorgen, ist der Plan, es durch nichtelektrische Alternativen zu ersetzen: ein oder zwei Solarkocher, einen Feuerlosen Herd, und eine Rakete Herd für den Kaffee am Morgen. Durch die direkte Nutzung von Sonnenwärme, können wir viel effizienter den Raumes auf dem Balkon verwenden. Ein weiterer Plan ist ein Low Tech Lebensmittel Speichersystem zu bau und können die Lebensmittelgeschäft auch außerhalb des Kühlschranks lagern, die Nitzund des energieintensiven Gerät so klein wie möglich zu halten oder ganz zu beseitigen.


Das Balkon Solar PV System wird völlig unabhängig von der Fensterbank Solar PV Anlage. Es gibt mehrere Vorteile dieses Ansatzes. Wie wir im vorherigen Artikel gesehen haben, sind die Kabelverluste relativ hoch im Niederspannungs DC System. Errichten mehrere unabhängigere Systeme begrenzt die Kabellänge stark(und das Kabelgewirr).

Zweitens erlauben getrennte Systeme die Verwendung einer Gesamtleistung von mehr als 150 Watt - Welches die Sicherheitsgrenze 12V DC-Systeme ist. Drittens machen mehrere Systeme es möglich, klein zu beginnen und das System schrittweise zu erweitern. Diese vermeidet große Anfanhs Kosten und ermöglicht es Ihnen, aus Ihren Fehlern zu lernen.

Lernen Sie aus Ihren Fehlern

In der Tat war es ein solcher Fehler der mich dazu brachte zwei getrennte Systeme zu installieren Selbst in meinem kleinen Büro zu Hause von nur 10 m2. Die beiden Solarpaneele vor dem Büro sind mit der Hälfte der Batterien verbunden(die das Licht versorgen), während die drei Sonnenkollektoren vor dem Schlafzimmer mit der anderen Hälfte verbunden sind (die den Laptop antreiben).

Dies war weil ich meine erste Solarladeregler kurzschloss und einen zweiten kaufen mißte, während der Erste repariert wurde. Es wären drei Wochen ohne Licht gewesen. Somit ist der letzte Vorteil von mehreren Systemen eine höhere Zuverlässigkeit: Wenn ein System ausfällt, gibt es noch Strom.

Off-Grid solarbetriebene Wohnung

Wenn der zweite Versuch erfolgreich ist, und bleibt zu sehen so ist der Plan, den Vertrag mit unserem Energie Provider zu stoppen, welcher im Dezember erneuert werden soll. Natürlich wäre es sehr nützlich, eine Verbindung mit dem Netz zu halten, aber es gibt zwei wichtige Gründe, dies nicht zu tun. Der erste wurde obern Umrissen: Off-Grid entfesselt die Kreativität und die Bereitschaft, den Energiebedarf zu senken.

Zweitens ist die Installation der Solaranlage und Festhalten an den Netzanschluss Finanziell unvorteilhaft. Zumindest hier in Spanien, mehr als zwei Drittel der Stromrechnung besteht aus Fixkosten. Auch wenn wir viel weniger Stromnetz Aufgrund des Sonnensystems verwenden würde, würde die Rechnung mehr oder weniger gleich bleiben.

Wenn der zweite Versuch erfolgreich ist, und natürlich bleibt dies zu sehen, ist der Plan, den Vertrag mit unserem Stromversorger zu stoppen

Einige wichtige Herausforderungen bestehen bleiben, jetzt vor allem die Waschmaschine, das Bad und der Laserdrucker. Das Problem mit Waschmaschine und Bad ist sie auf der Nordseite des Gebäudes, weit weg von den Sonnenkollektoren. Wir konnten in den Waschsalon in der Stadt gehen, aber es gibt keine. Eine Pedal angetrieben Waschmaschine benötigt Platz und wir haben keinen Platz.

Der Laserdrucker kann mit einem Umrichter betrieben werden, der auch praktisch sein kann für gelegentliche Vorrichtungdie nicht auf 12V Gleichstrom laufen. Allerdings wäre ein relativ großer und teurer Wechselrichter benötigt, da die Startleistung der Maschine über 400 Watt leigt. Zum Glück fand ich heraus, bevor ich eine andere teure Investition tätige.

Bevor Sie beginnen
Es gibt einige Dinge im Auge zu behalten, bevor Sie eine Low-Tech Solar PV Anlage installieren:

-Sie müssen genügend Sonne haben. Sonnenkollektoren auf Fensterbänken und Balkonen wird nicht überall funktionieren. Ein ähnliches System wie meine, aber 1.000 km weiter nördlich produziert im Durchschnitt nur die Hälfte der Elektrizität, mit einem viel größeren Unterschied zwischen Winter und Sommer.

-Sie brauchen die richtige Orientierung. Auch wenn Sie in einem sonnigen Klima sind, denken Sie nicht, nach der Ernte Solarenergie, wenn Fenster oder Balkone Richtung Norden ausgerichtet sind, Nordwesten, oder im Nordosten. Beschattung durch Bäume oder andere Gebäude können Ihre Ambitionen schmälern. Sie müssen mindestens 4 Stunden direkter Sonneneinstrahlung pro Tag auf den Tafeln haben.

Sie müssen bereit sein, Ihren Energieverbrauch zu senken. Nur wenige Wohnungsbewohner haben genug Platz zur Verfügung, die ausreichend Solarstrom für einen energieintensiven Lebensstil erzeugen.

Es kann unmöglich sein, die einige Fenster gänzlich zu schließen. Die Kabel von den Platten gehen in meine Wohnung durch das Schiebefenster des Büros zu öffnen. Im Winter decken ich diese Lücke mit Kork zu. Ich habe keine Heizung , so dass keine Energie verloren geht, aber dies könnte unter anderen Umständen problematisch sein. Sie sollten wahrscheinlich nicht ein Loch, durch das Fenster oder die Wand bohren, wenn Sie den Ort mieten.

Die Umstellung Ihre Wohnung auf Solarenergie machen Sie nicht zu "100% nachhaltig". Fossile Brennstoffe werden verwendet, um Solarzellen und Batterien produzieren.

Written by Kris De Decker. Edited by Jenna Collett.


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Notes & Sources:

[1] Renewable Power Generation Costs in 2014 (PDF), International Renewable Energy Agency (IRENA), January 2015

[2] Photovoltaic System Pricing Trends: Historical, Recent, and Near-Term Projections (PDF), 2014 Edition, SunShot, U.S. Departmennt of Energy, September 2014

[3] Soft costs account for most of PV residential installation costs, PV Magazine, December 2013

[4] Spain's Photovoltaic Revolution: The Energy Return on Investment (SpringerBriefs in Energy), Pedro A. Prieto & Charles A. Hall, 2013

[5] Power Density: A Key to Understanding Energy Sources and Uses (MIT Press), Vaclav Smil, 2015

[6] Provided that total power use is below 100-150 watts (which corresponds to between 8 and 12 ampère for a 12V system). Also make sure to properly fuse your solar PV system to avoid electric fires.

[7] Laptop use is further complicated by the laptop battery. If the battery is not 100% charged, the computer will automatically try to charge it when you connect it to the solar system. However, power use of the laptop triples during charging, and unless there is full sun on the panels my system refuses to provide this amount of power. I "solved" this by keeping the battery 100% charged.

[8] There is interesting academic research about the relationship between energy infrastructures and energy demand, which we will discuss in a forthcoming article.

[9] Note that most energy use of a laptop is in the manufacturing. Switching to a more energy-efficient laptop isn't always a sustainable choice. Buying a second-hand device could be a solution.

Freitag, 29. April 2016

Slow Electricity Langsame Elektrizität: Die Rückkehr des Gleichstroms

Bei den heutigen Photovoltaik-Anlagen, wird Gleichstromleistung von Solarzellen kommend in Wechselstrom Strom umgewandelt, um kompatibel mit der elektrischen Verteilung im Gebäude zu werden.

Da viele moderne Geräte intern mit Gleichstrom (DC) betrieben werden wird Wechselstrom (AC) wieder zurück zu DC Strom umgewandelt durch die Adapter der einzelnen Geräte.

Diese doppelte Energieumwandlung, die zu bis zu 30% der Energieverluste erzeugt, könnten wir beseitigen wenn die elektrische Verteilung des Gebäudes auf Gleichstrom umgebaut wird. Direkte DC Kopplung Stromquellen mit DC-Lasten führ zu einem deutlich billigeren und nachhaltigeren Solar System. Allerdings müssen einige wichtige Voraussetzungen erfüllt sein, um dieses Ziel zu erreichen.
Early power station
Bild: Brighton Electric Light Station, 1887. stationäre Dampfmaschinen treiben DC-Generatoren mit Hilfe von Ledergürtel. Quelle.




Strom kann als Wechselstrom oder Gleichstrom produziert und verteilt werden. Im Fall von AC Strom, der Strom ändert seine Richtung periodisch während die Spannung umkehrt entlang des Stromflusses. Im Fall von DC Strom, der Strom fließt in einer Richtung und die Spannung bleibt konstant. Als elektrische Energieübertragung im letzten Viertel des neunzehnten Jahrhunderts eingeführt wurde, gab es einen Wettbewerb zwischen AC-und DC wer das Standard-Stromverteilungssystem wird- eine Zeit, in der Geschichte die als der "Krieg der Ströme" bekannt wurde.

AC gewonnen, vor allem wegen der höheren Effizienz wenn er über weite Strecken transportiert wird. Elektrische Energie (ausgedrückt in Watt) ist gleich Strom (in Ampère ausgedrückt) durch Spannung multipliziert (in Volt ausgedrückt). Folglich kann eine bestimmte Menge an Leistung, die von einer niedrigen Spannung mit einem höheren Strom oder durch eine Hochspannung mit einem niedrigeren Strom erzeugt werden. Leistungsverlust ist jedoch proportional wegen Widerstand gegen das Quadrat des Stroms. Daher sind hohe Spannungen der Schlüssel zum Energieeffizienzen Kraftübertragung über größere Distanzen. [1]

Die Erfindung des AC Transformator in den späten 1800er Jahren machte es möglich, leicht die Spannung, um zu intensivieren Strom über lange Strecken zu transportieren, und dann wieder nach schritt nach unten für den lokalen Gebrauch. DC Strom, auf der anderen Seite, könnte nicht effizient zu hohen Spannungen bis 1960 umgewandelt werden. Folglich war es unmöglich Leistung effektiv über große Entfernungen zu übertragen (> 1-2 km).

Brush_central_power_station_dynamos_New_York_1881
Illustration: Brush Electric Company's central power plant dynamos powered arc lamps for public lighting in New York. Beginning operation in December 1880 at 133 West Twenty-Fifth Street, it powered a 2-mile (3.2 km) long circuit. Source: Wikipedia Commons.


Ein Gleichstromnetz impliziert die Installation von relativ kleinen Kraftwerke in jeder Nachbarschaft. Dies war nicht ideal, weil der Wirkungsgrad der Dampfmaschinen, die die Dynamos angetrieben von ihrer Größe abhängig war - je größer eine Dampfmaschine, desto effizienter wird es. Außerdem waren Dampfmaschinen laut und erzeugten Luftverschmutzung, während die niedrige Transporteffizienz von Gleichstrom die Verwendung von weiter entfernten, sauberen Wasserkraftquellen ausgeschlossen hat.

Mehr als hundert Jahre später, stellt AC noch die Grundlage unserer Energieinfrastruktur. Obwohl Hochspannungs- DC (Gleichstrom) an Boden gewinnt, müssen alle elektrischen Verteilung in Gebäuden basiert auf Wechselstrom, entweder bei 110V oder 220V gewesen sein. Niederspannungssysteme haben in Autos, Lastwagen, Wohnmobile, Wohnwagen und Boote, sowie in der Telekommunikations Büros, Ferne wissenschaftlichen Stationen und Notunterkünfte überlebt. In den meisten dieser Beispiele werden die Geräte mit Batterien betrieben, die auf 12V, 24V oder 48V DC betrieben werden.

Erneutes Interesse an DC Strom

Vor kurzem haben zwei konvergierenden Faktoren das Interesse an der Gleichstromverteilung erneuert. Erstens haben wir jetzt bessere Alternativen für die dezentrale Energieerzeugung, die wichtigsten dieser sind Solar PV Module. Sie erzeugen keine Umweltverschmutzung und ihre Effizienz ist unabhängig von ihrer Größe. Da Sonnenkollektoren angeordnet werden kann genau dort, wo Energiebedarf ist, besteht für die Langstreckenkraftübertragung kein Bedarf. Darüber hinaus produzieren Solarzellen "natürlich" Gleichstromleistung, und so tun, es chemische Batterien die die praktische Speichertechnik für PV Anlagen sind.


Solar-PV-Module produzieren natürlich Gleichstromleistung, und ein wachsender Anteil unserer Elektrogeräte arbeiten intern mit Gleichstrom

Zweitens wird ein wachsender Anteil unserer elektrischen Geräte intern mit Gleichstrom angetrieben. Dies gilt für Computer und alle anderen elektronischen Geräte, sowie für Solid State Lighting (LEDs), Flachbildfernseher, Stereoanlage, Mikrowelle, und eine zunehmende Menge an Geräten auf Gleichstrommotoren mit variabler Drehzahl betrieben (Lüfter, Pumpen , Kompressoren und Antriebssysteme). In den nächsten 20 Jahren konnten wir so viel wie 50% der Gesamtlasten in den Haushalten gebildet von DC Verbrauch sehen. [2]

Hippodrome power plant
DC Kraftwerk des Hippodroms in Paris. Eine Dampfmaschine treibt mehrere Dynamos an, die Bogenlampen antreiben. Quelle unbekannt.


Ein Gebäude das Solar-PV-Strom erzeugt verteilt diee in Innenräumen über ein elektrisches Wechselstrom-System, es ist eine doppelte Energieumwandlung erforderlich. Zunächst wird der Gleichstrom von den Solarpanelen in Wechselspannung umgewandelt unter Verwendung eines Inverters - Wechselrichters - Zerhacker. Dann wird Wechselstrom durch den internen Adaptern von Geräten wie Computer, LEDs und Mikrowellen in Gleichstrom zurück umgewandelt . Diese Energieumwandlungen implizieren Leistungsverluste, die, wenn eine Gebäude solarbetrieben vermieden werden könnte, würde es mit Gleichverteilung ausgestattet werden. Mit anderen Worten könnte ein Gleichstromnetz ein Solar-PV-System mehr Energieeffizienz gestalten.

Mehr Solarstrom für weniger Geld

Da der Betriebsenergie- Gebäude Verbrauch und die Kosten einer Solar PV Anlage gleich Null sind, eine höhere Energieeffizienz führt zu niedrigeren Kapitalkosten, da weniger Solarzellen benötigt werden, eine bestimmte Menge an Strom zu erzeugen. Darüber hinaus gibt es keine Notwendigkeit, einen Wechselrichter zu installieren, was eine kostspielige Vorrichtung ist, die zumindest einmal während der Lebensdauer einer Solar PV Systems ausgetauscht werden muss. Geringere Kapitalkosten bedeuten auch niedrigere verkörperte Energie: wenn weniger Sonnenkollektoren und kein Inverter erforderlich sind, wir weniger Energie gebraucht, die Solar PV Anlage zu erzeugen, die Nachhaltigkeit der Technologie zu verbessern, ist von entscheidender Wichtigkeit für diese Technik.

Weniger Solarzellen werden benötigt, um eine gegebene Menge an Elektrizität zu erzeugen,

Ein ähnlicher Vorteil wäre, es elektrische Geräte die in einem Gebäude mit Gleichstromverteilung, DC-internen elektrischen Geräte können mit allen Komponenten beseitigen, die für die AC-DC-Umwandlung erforderlich sind. Es würde einfacher, billiger, zuverlässiger und weniger energieintensiv in der Herstellung werden. Die AC / DC-Adapter sind oft die von Lebensdauer begrenzenden Komponente der DC - internen Geräte (die in einer externen Stromversorgung oder in der Vorrichtung selbst untergebracht werden kann), und sie sind ziemlich beträchtlich groß. [2]

Components for AC DC conversion

Komponenten für AC-DC-conversionIllustration: Stromtreiber für eine 35W LED-Lampe. [3] Alle Teile, die für AC-DC-Umwandlung notwendig sind, sind gekennzeichnet.


Beispielsweise für ein LED-Licht, ungefähr 40% der Leiterplatte wird durch Komponenten besetzt, die für Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung benütigt. [3] AC / DC-Adapter haben mehrere Nachteile. Als Ergebnis einer dubiosen Geschäftsstrategie, sind sie auf ein Gerät in der Regel bestimmte, was zu einer Verschwendung von Ressourcen, Geld und Platz. Ferner ist weiterhin ein Adapter Energie zu verwenden, wenn das Gerät nicht in Betrieb ist, und selbst wenn das Gerät nicht mit diesem verbunden ist.

DC Stromverteilung würde Geräte einfacher, billiger, zuverlässiger und weniger energieintensiv in der Herstellung machen.

Last but not least, Niederspannungs- Gleichstromnetze (bis 24 V) gelten als sicher vor Elektrischen- Schlag oder Feuergefahr, Elektriker können relativ einfache Verkabelung installieren, ohne Erdung oder Metall-Anschlusskästen und ohne Schutz gegen direkte Berührung. [4, 5, 6] Diese weitere Steigerungen der Kosteneinsparungen und ermöglicht es Ihnen, ein Solar System bei dem selbst alles zu installieren möglich ist. Wir zeigen ein solches DIY-System im nächsten Artikel, wo wir auch erklären, wie DC Geräte zu erhalten oder AC-Geräten in DC umzuwandeln.

Wie viel Energie kann gespart werden?

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass der Energieeffizienz- Vorteil eines Gleichstromnetz nicht gegeben ist. Energieeinsparungen können erheblich sein, aber sie können auch sehr klein oder sogar negativ werden. Unabhängig davon, ob DC eine gute Wahl ist, hängt in erster Linie von fünf Faktoren ab: die spezifischen Umwandlungsverluste in den AC / DC-Adapter aller Geräte, der Zeitpunkt der "Last" (der Energieverbrauch), die Verfügbarkeit von elektrischen Speicher, die Länge der Verteilerkabel und der Stromverbrauch der elektrischen Geräte.

Die Beseitigung der Wechselrichter sorgt für ziemlich vorhersehbar Energieeinsparungen. Es handelt sich nur um ein Gerät mit einem ziemlich festen Wirkungsgrad (+ 90% - obwohl Wirkungsgrad auf etwa 50% bei niedriger Last abstürzen kann). Jedoch kann man das nicht von AC / DC-Adapter gesagt werden. Nicht nur gibt es so viele Adapter wie es DC-internen Vorrichtungen, aber ihre Wirkungsgrade variieren auch wild, von weniger als 50% für Niederleistungsvorrichtungen zu mehr als 90% für Hochleistungsvorrichtungen. [6, 7, 8]

Konsequenter weise können Wechselstrom, die Gesamtenergieverlust von AC / DC-Adapter können sehr unterschiedlich sein, je nachdem, welche Art von Geräten in einem Gebäude verwendet werden - und wie sie verwendet werden. Genau wie Wechselrichter, Adapter verschwenden relativ mehr Energie, wenn wenig Strom verwendet wird, zum Beispiel in den Standby-oder Low-Power-Modi. [8]
AC power adapters

Die Umwandlungsverluste in Adapter sind am höchsten für DVDs / Videorecordern (31%), Home-Audio (21%), Personal Computer und zugehörige Ausrüstung (20%), wiederaufladbare Elektronik (20%), Beleuchtung (18%) und Fernseher (15% ). Die Stromverluste sind geringer (10-13%) für eher banale Geräte wie Deckenventilatoren, Kaffeemaschine, Geschirrspüler, elektrische Toaster, Heizgeräte, Mikrowellenherde, Kühlschränke und so weiter. [8].

Beleuchtung und Computer (die hohe AC / DC-Verluste haben) machen in der Regel einen großen Anteil an der gesamten Stromverbrauch in Büros, Geschäften und öffentlichen Gebäude aus. Die Haushalte haben vielfältigere Geräte, einschließlich Geräte mit niedriger AC / DC-Verlusten. Folglich bringt ein DC System höhere Energieeinsparung in Büros als in Wohngebäuden.

Der größte Vorteil ist, in Rechenzentren, in denen Computer die Hauptlast sind. Einige Rechenzentren wurden bereits an DC-Systeme eingeschaltet, auch wenn sie nicht mit Solarenergie betrieben werden. Weil eine großer Adapter effizienter ist als eine Vielzahl von kleinen Adapter, AC zu DC auf lokaler Ebene Umwandlung (einen Gleichrichter Verteiler(?)) und nicht an den einzelnen Servern kann Energieeinsparungen zwischen 5 und 30% bringen. [6, 9], [10, 11]

Die Bedeutung der Energiespeicherung

Wenn wir einen Energieverlust von 10% im Wechselrichter und einen durchschnittlichen Verlust von 15% für alle AC / DC-Adapter übernehmen, würden wir eine Energieeinsparung von ca. 25% erwarten, wenn in einem Solar-PV-Strom versorgt Gebäude DC Verteilung umgeschaltet wird. Jedoch ist eine solche erhebliche Einsparung nicht garantiert. So starten Sie mit, die meisten solarbetriebene Gebäude sind netzgekoppeltet. Sie speichern keine Solarenergie in Vor-Ort-Batterien, sondern verlassen sich auf das Netz um Überschüsse und Knappheit zu bewältigen.

In einem Netz gebundenen solarbetriebenen Gebäude lädt nur gleichzeitig mit Solar PV Leistung von einem Gleichstromnetz profitieren zu können

DC power distribution
Frühes Gleichstrom Verteilungs Kraftwerk hatte einen Dynamo für jede Glühbirne. Quelle unbekannt.
Dies bedeutet, dass überschüssige Solarenergie von DC zu AC umgewandelt werden muss, um sie an das Stromnetz zu senden, während Strom aus dem Netz entnommen muss von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt, um zu dem elektrischen Verteilungssystem im Gebäude kompatibel zu sein. Folglich wird in einem netz gekoppelten Solar PV betriebenes Gebäude nur gleichzeitig mit Solar PV Leistung von einem Gleichstromnetz profitieren können.



Wiederum bedeutet dies, dass die Effizienzvorteile eines DC-System sind in der Regel größer in gewerblichen Gebäuden ist, wo der meisten Stromverbrauch mit dem DC-Ausgang aus dem Sonnensystem zusammenfällt. In Wohngebäuden, auf der anderen Seite, den Energieverbrauch Spitzen oft morgens und abends, wenn wenig oder gar keine Sonnenenergie zur Verfügung steht.

Folglich gibt es nur ein kleiner Vorteil zu erhalten, aus einem Gleichstromsystem in einem Netz abgemessene Wohnhauses, da die meisten Strom umgewandelt werden wird oder von AC sowieso. Eine kürzlich veröffentlichte Studie errechnet, dass ein DC-System könnte die Energieeffizienz eines solarbetriebenen, Netz basierenden American Heim im Durchschnitt nur um 5% verbessern - die Zahl ist ein Mittelwert für 14 Häuser in den USA. [12] [13]

Off-Grid Netzunabhängige Solar Systeme

Um das volle Potenzial eines Gleichstromnetz zu realisieren, vor allem, wenn es in einem Wohngebäude betrifft, brauchen wir Vor-Ort-Batterien um Sonnenenergie zu speichern. Auf diese Weise kann das System speichern und Leistung in einem DC - Netz erhöhen. Der Energiespeicher kann in einem Off Grid System geschehen, die völlig unabhängig von dem Netz sind, sondern auch einige Batteriespeicher in einem Zähler basierenden Gebäude verbessert den Vorteil eines DC-System. Jedoch fügt ein Energiespeicher eine andere Art von Energieverlust hinzu: die Lade- und Entlade- Verluste der Batterie. Die Round-Trip Effizienz für Blei-Säure-Batterien liegt bei 70-80%, während für Lithium-Ionen es etwa 90% ist.

Leider fügt Energiespeicher eine andere Art von Energieverlust - die Lade- und Entlade-Verluste der Batterien - und negiert die Kostenvorteile eines DC-Systems

Genau, wie viel Energie kann wieder mit Vor-Ort-Batteriespeicher gespeichert werden, hängt von der Zeitsteuerung der Last. Strom während des Tages verwendet - wenn die Batterien voll sind - beinhaltet keine Batterie Laden und Entladen Verluste. In diesem Fall können die Energieeinsparungen eines DC-System 25% (10% zum Eliminieren des Wechselrichters und 15% für die Adapter eliminiert).

Kensington court station
Kensington Court Station: Dampfmaschine, Dynamo und Batterien. Quelle: Zentral Station Electric Lighting, Killing Hedges, 1888.
Doch nach Sonnenuntergang Strom verwendet wird senkt die Energieeinsparungen bis zu 15% für Lithium-Ionen-Batterien und zwischen -5% und + 5% für Blei-Säure-Batterien. In Wirklichkeit wird Elektrizität wahrscheinlich vor und nach Sonnenuntergang verwendet werden, so dass die Effizienz verbessert wird irgendwo zwischen diesen Extremen (-5% bis 25% für Blei-Säure und 15-25% für Lithium-Ionen).

Auf der anderen Seite bringt Batteriespeicher einen weiteren Vorteil: Es gibt weniger oder - in einem völlig unabhängiges System - ohne zusätzliche Energieverluste für die Fernleitung und Verteilung von AC Strom. Diese Verluste sind sehr unterschiedlich in Abhängigkeit von der Lage. So sind zum Beispiel durchschnittliche Übertragungsverluste nur 4% in Deutschland und den Niederlanden, aber 6% in den USA und China sowie zwischen 15 und 20% in der Türkei und Indien. [14] [15]

Wenn wir weitere 7% der Energieeinsparung durch vermieden Übertragungsverluste addieren, ein Off-Grid-DC-System Energieeinsparungen zwischen 2% und 32% für Blei-Säure-Batterien, und zwischen 22% und 32% für die Lithium-Ionen-Batterien bringen, je nach dem Zeitpunkt der Last.

In einem Off-grid DC-System kann den Stromverbrauch mit einer Solaranlage erfüllt werden, die ein Fünftel bis ein Drittel kleiner ist, je nach Art der verwendeten Batterien

Unter der Annahme von 50% Energieverbrauch während des Tages und 50% des Energieverbrauchs in der Nacht kommen wir zu einem Gewinn von 17% für ein Off-Grid-System Blei-Säure-Batterien und 27% für Lithium-Ionen-Speicher. Dies bedeutet, dass Stromverbrauch kann mit einem Solar System erfüllt werden, die ein Fünftel bis ein Drittel kleiner sind, bzw. ist. Gesamtkosteneinsparungen wird ein bisschen größer bleiben, weil wir immer noch nicht, einen Wechselrichter benötigen, und Installationskosten sind niedriger oder gar nicht vorhanden.

Leider stellt sich vor Ort Stromspeicher Einführung wieder die Kapitalkosten, da wir in Batterien investieren müssen. Dadurch wird durch der Kostenvorteil zunichte gemacht bei der Auswahl eines DC System. Das gleiche gilt für die Energie in den Produktionsprozess angelegt: ein Netzunabhängiges DC System erfordert weniger Energie für die Herstellung von Sonnenkollektoren, aber es veranlasst mindestens so viel Energieverbrauch für die Herstellung von Batterien.

Allerdings sollten wir Äpfel mit Äpfeln vergleichen: ein DC Off-Grid- Solaranlage ist preisgünstiger und energieeffizienter als ein AC Off-Grid System, und das ist, was zählt. Die Lebenszyklusanalysen von Netz basierenden Solaranlagen stellen keine Realität, weil sie einen wesentlichen Bestandteil von Solaranlagen zu ignorieren.

Kabelverluste

Es gibt eine weitere wichtige Sache zu prüfen, wenn. Wie wir aufgrund des Widerstands, Leistungsverlust proportional des Strom zum Quadrat gesehen. Folglich haben Niederspannungs Gleichstromnetze relativ hohe Leitungsverluste innerhalb des Gebäudes. Es gibt zwei Möglichkeiten, in denen Kabelverluste eine Wahl für ein DC System kontraproduktiv machen kann. Die erste ist die Verwendung von Hochleistungs Verbrauchern, und die zweite ist die Verwendung von sehr langen Kabeln.


Voltage regulation in early power plant
Spannungsregelung in einem frühen Kraftwerk. Quelle unbekannt.


Der Energieverlust in den Leitungen ist gleich dem Quadrat der Stromstärke (in Ampere), durch den Widerstand multipliziert (in Ohm). Der Widerstand wird durch die Länge, den Durchmesser ermittelt und dem leitenden Material der Kabel. Ein Kupferdraht mit einem Querschnitt von 10 mm², 100 Watt Leistung bei 12 V (8,33 A) über eine Entfernung von 10 Metern ergibt eine annehmbarer Energieverlust von 3%. Jedoch mit einer Kabellänge von 50 Metern, den Energieverlust von 16% und bei einer Länge von 100 Metern, ist der Energieverlust auf 32% - genug, um die Effizienzvorteile eines Gleichstromnetz selbst im optimistischsten Szenario zu negieren .

Die relativ hohen Energieverluste in den Kabeln begrenzen die Verwendung von Hochleistungsgeräten

Die relativ hohe Leitungsverluste begrenzen auch die Verwendung von Hochleistungsgeräten. Wenn Sie eine 1000-Watt-Mikrowelle auf einem 12V Gleichstromnetz ausführen möchten, fügen Sie die Energieverluste bis zu 16% mit einer Kabellänge von nur 1 Meter, und mit einer Kabellänge von 3 m bis 47% springen.

Offensichtlich ist ein Niederspannungs- Gleichstromnetz nicht für Leistungsgeräte wie Waschmaschinen, Spülmaschinen, Staubsauger, Elektroherde, elektrische Öfen oder Warmwasserkessel geeignet. Beachten Sie, dass Stromverbrauch und nicht die Energienutzung in dieser Hinsicht wichtig ist. Der Energieverbrauch ist gleich den Stromverbrauch multipliziert mit der Zeit. Ein Kühlschrank verbraucht viel mehr Energie als eine Mikrowelle, weil es auf 24 Stunden am Tag ist, aber seine Leistung kann klein genug sein, auf einem Gleichstromnetz betrieben zu werden.

Kabelverluste begrenzen auch die kombinierte Leistungs Verwendung von Low Power Geräten. Wenn wir einen 12V Kabelverteiler Länge von 12 Metern übernehmen, und wir wollen die Kabelverluste unter 10% zu halten, dann ist die kombinierte Leistung Nutzung aller Geräte auf etwa 150 Watt (8,5% Kabeldämpfung) begrenzt. Zum Beispiel erlaubt dies die gleichzeitige Verwendung von zwei Laptops (20 Watt Leistung pro Stück), eine DC-Kühlschrank (45 Watt) und fünf 8-Watt-LED-Lampen (40 Watt insgesamt), die weiteren 25 Watt Leistung reichen für ein paar kleinere Geräte.

Wie Kabelverluste begrenzen

Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die Verteilungsverluste eines Niederspannungs-DC-System zu minimieren. Wenn es ein neues Gebäude betrifft, könnte seine räumliche Anordnung signifikant die Verteilung Kabellänge begrenzen. Zum Beispiel schafften niederländische Forscher die Gesamt- Kabellänge in einem Haus nach unten von 40 Meter auch 12 Meter zu reduzieren. Sie taten dies indem sie die Küche und das Wohnzimmer (wo die meisten Strom verbraucht wird) in den ersten Stock verlegten, direkt unter dem Dach (wo die Sonnenkollektoren sind), während die Schlafzimmer im Erdgeschoss sind. Sie wurden auch die meisten Geräte im zentralen Teil des Gebäudes, direkt unter den Solarpanels platziert (siehe Abbildung unten). [16]

Distributie gelijkstroom in dc gebouw


Eine weitere Möglichkeit, die Leitungsverluste zu reduzieren, ist mehrere unabhängige Solaranlagen pro ein oder zwei Zimmer einzurichten. Dies könnte der einzige Weg sein, um das Problem in einem größeren, bestehende Gebäude zu lösen, die ohne eine DC-System konzipiert sind. Während diese Strategie die Verwendung von zusätzlichen Solar- Ladereglern bedeutet, kann er stark die Kabelverluste reduzieren. Dieser Ansatz ermöglicht es auch den Stromverbrauch aller Geräte mit 150 Watt zu planen.

Einrichten von unabhängigen Solaranlagen pro ein oder zwei Zimmer ist eine Möglichkeit, Kabel Verluste zu begrenzen und die Gesamtenergieverbrauch erhöhen

Eine dritte Möglichkeit, die Leitungsverluste zu begrenzen, ist eine höhere Spannung zu wählen: 24 oder 48 V anstelle von 12 Volt. Da die Energieverluste mit dem Quadrat der Stromstärke steigen, macht das verdoppeln der Spannung von 12 auf 24V ide Kabelverluste 4 mal kleiner, und bis 48V Schalten senkt sie um einen Faktor neun. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Verwendung von stärkeren Verbrauchern und erhöht die Gesamtleistung, die von einem DC System verwendet werden kann. Jedoch haben höhere Spannungen auch einige Nachteile.

Erstens sind die meisten Low-Voltage DC Geräte derzeit auf dem Markt operieren auf 12V, so dass die Verwendung eines 24 oder 48V DC Netzwerk die Verwendung von mehr DC / DC-Adapter umfasst, der die Spannung zurücktrennt und auch Umwandlungsverluste haben. Zweitens höhere Spannungen (über 24V) beseitigen die Sicherheitsvorteile eines DC Systems. In Rechenzentren und Büros, sowie in den amerikanischen Wohngebäuden in der Studie bereits erwähnt, wird die DC-Strom im gesamten Gebäude an 380V verteilt, aber dies erfordert ebenso strenge Sicherheitsmaßnahmen wie bei 110V oder 220V AC Strom. [17]

Langsame Elektrizität

Verkürzen wir die Leitungslänge oder verdoppeln wir die Spannung auf 24V so reicht es noch nicht für den Einsatz von Hochleistungs Verbrauchern und erlaubt wie eine Mikrowelle oder eine Waschmaschine. Es gibt zwei Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Die erste ist ein Hybrid AC / DC System zu installieren. In diesem Fall wird ein Gleichstromnetz für Low-Power Geräte einzurichten, wie LED-Leuchten (<10 Watt), Laptops (<20 Watt), einen Fernseher (30-90 Watt) und einem Kühlschrank (<50 Watt), während ein separater Wechselstromnetz für Hochleistungsgeräte einzurichten ist. Dies ist der Ansatz für private Haushalte und kleine Büros, die von der EMerge Alliance, ein Konsortium von Herstellern von DC Produkte beworben wird, die einen Standard für ein 24V DC / 110-220V AC-Hybrid-System entwickelt. [18]

Electric light DC
Elektrisches Licht spätes 19. Jahrhundert, die einzige elektrische Last in Haushalten war Beleuchtung.



Low Power Geräte sind (im Durchschnitt) verantwortlich für 35-50% des gesamten Stromverbrauchs in einem Heim. Auch in dem best-case-Szenario (50% der Last), ein Hybridsystem halbiert die Steigerung der Energieeffizienz wie oben berechnet, was lässt uns mit einer Energieeinsparung von nur 8,5% auf 13,5%, auf die je nach verwendeten Art von Batterien. Diese Zahlen sind niedriger trotz Kabelverluste. Kurz gesagt, ein Hybrid-AC / DC-System bringt eher kleine Energieeinsparungen, die leicht durch Rebound-Effekte gelöscht werden könnten.

Der zweite Weg, um das Problem der hohen Leistungs(Watt) Geräte zu lösen, ist einfach sie nicht zu benutzen. Dies ist der Ansatz, der in Segelboote, Wohnmobile und Wohnwagen verfolgt wird, wo eine unterstützende AC-Verteilung einfach keine Option ist. Dies ist die nachhaltigste Lösung für die Grenzen des Gleichstroms, da in diesem Fall die erste Wahl für DC auch in einer Reduzierung des Energiebedarfs führt. Die Gesamtenergie- Einsparungen könnten somit viel größer als die oben berechneten 17-27% werden und dann haben wir endlich eine radikal bessere Lösung, die einen Unterschied machen könnte.

Eine Möglichkeit, das Problem der Leistungsgeräte zu lösen - ist einfach sie nicht zu nutzen - das ist der Ansatz, der in Segelbooten, Wohnmobilen und Wohnwagen verfolgt wird

Offensichtlich bedeutet diese Strategie eine Änderung unserer Lebensweise. Es würde bedeuten, dass Strom für die Beleuchtung, Elektronik und Kühlung nur verwendet wird, während nicht-elektrischen Alternativen für alle anderen Geräte ausgewählt werden. Nicht zufällig ist dies ganz ähnlich wie DC Netze wurden im späten neunzehnten Jahrhundert betrieben werden, wenn die einzige elektrische Last war für die Beleuchtung - zuerst Bogenlampen und später Glühlampen.

Also keine Spülmaschine, aber den Abwasch von Hand. Keine Waschmaschine, aber die Wäsche in einem Waschsalon oder mit einer manuell betriebenen Maschine. Nicht im Trockner trocknen, sondern auf einer Wäscheleine. Keine bequeme und zeitsparende Küchengeräte wie Wasserkocher, Mikrowellen und Kaffeemaschinen, aber einen traditionelles Kochherd angetrieben mit (Bio-) Gas, einem Solarkocher oder einen Roket Raketen Holz- Herd. Keinen Staubsauger, sondern ein Besen und ein Teppichklopfer. Kein Kühlschrank, aber frischen Zutaten. Keinen elektrischen Warmwasserboiler, sondern einen Solar Boiler und eine kleine Wasch- Schüssel bei der Spüle, wenn die Sonne nicht scheint. Kein Elektroauto, sondern ein Fahrrad.

Um herauszufinden, was möglich ist, sind wir Low-Tech-Magazin-Zentrale in einem Off-Grid-12V DC-System umzuwandeln - mehr dazu im nächsten Beitrag.

Written by Kris De Decker. Edited by Jenna Collett.
 

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SOURCES & NOTES
[1] There is an analogy with hydraulic power: electric voltage corresponds to water pressure, while electric current corresponds to water flow. The invention of the hydraulic accumulator in the 1850s allowed higher water pressure and thus efficient transportation of water power over long distances.
[5] DC microgrids and the virtues of local electricity, Rajendra Singh & Krishna Shenai, IEEE Spectrum, 2014
[7] Edison's Revenge, The Economist, 2013
[8] Catalog of DC appliances and power systems, Karina Garbesi, Vagelis Vossos and Hongxia Shen, 2011
[9] DC building network and storage for BIPV integration, J. Hofer et al., CISBAT 2015, 2015
[10] However, DC power in data centers will not bring us a less energy-hungry internet -- on the contrary.
[11] Also note that the efficiency of AC/DC adapters could be improved in a significant way, especially for low power devices. Many "wall warts" are needlessly wasteful because manufacturers of electric appliances want to keep costs down. If this would change, for example because of new laws, the advantage of switching to a DC grid would become smaller.
[12] Energy savings from direct-DC in US residential buildings, Vagelis Vossos et al, in Energy and Buildings, 2014
[13] In this study, the buildings use a combination of 24V DC for low power loads, and 380V DC for high-power devices and for distributing DC power throughout the house to limit cable losses.
[15] Rural areas usually have higher losses than urban areas, and a lone subdivision line that radiates out into the countryside can introduce very high losses.
[16] Concept for a DC low voltage house (PDF), Maaike Friedeman et al, Sustainable building 2002 conference
[17] A last -- and rather desperate -- way to lower distribution losses is to use thicker cables. The resistance in electric wires can be decreased not only by shortening the cables, but also by increasing their diameter (diameter here refers to the copper core). For example, if we would use 100 mm2 instead of 10 mm2 cables, we can have cables that are ten times longer for the same energy loss. Distributing 12V DC electricity across 100 metres of cable would yield an energy loss of only 3%. One problem with this approach is that the costs of electric cables increase linearly with the diameter. One metre of 100 mm2 cable will cost you about 50 euro, compared to 5 euro for a 10 mm2 cable. Sustainability also suffers because the higher use of copper has a significant environmental cost. Thick cables are heavy and less manageable, too. Thanks to Herman van Munster en Arie van Ziel for making this clear.
[18] Our standards, Merge Alliance, retrieved April 2016